تبدو أنماط النجوم والكوكبات في السماء الليلية ثابتةً بالنسبة إلى بعضها خلال حياة الإنسان، لأن النجوم بعيدة جداً وتكون حركاتها الظاهرية بطيئة. ومع ذلك تتحرك النجوم فعلياً داخل مجرة درب التبانة، وتتغير أشكال الكوكبات تدريجياً على مدى آلاف أو عشرات آلاف السنين بسبب ما يُعرف بالحركة الخاصة للنجوم.

قسّم هيبارخوس النجوم المرئية إلى ست درجات من السطوع، فاعتبر ألمع النجوم من القدر الأول، بينما وضع أخفت النجوم التي يمكن رؤيتها بالعين المجردة في القدر السادس. ومع تطور علم الفلك اتضح أن هذا النظام يمكن توسيعه ليشمل نجومًا أشد سطوعًا أو أشد خفوتًا من الحدود الأصلية.

وضع هيبارخوس واحداً من أقدم الفهارس النجمية الكبرى في العالم اليوناني، ويُنسب إليه تسجيل مواقع نحو ٨٥٠ نجماً، وربما كان العدد أكبر بحسب اختلاف الروايات. ولا يصح وصف فهرسه بأنه أول فهرس نجمي في التاريخ، لأن حضارات أقدم عرفت قوائم للنجوم، إلا أن عمل هيبارخوس كان مهماً لدقته النسبية ولإتاحته مقارنة مواقع النجوم عبر الأزمنة.

أسهم هيبارخوس إسهاماً عميقاً في تأسيس الفلك الرياضي القائم على القياس والحساب، وانتقلت كثير من طرائقه ونتائجه إلى بطليموس، ثم ظلت مؤثرة في الفلك القديم والوسيط قروناً طويلة. غير أن القول إن هيبارخوس وحده وضع جميع أسس الفلك التي استمرت ١٥٠٠ سنة مبالغة، لأن هذا التراث تشكل من أعمال يونانية وبابلية متعددة قبل أن تتغير نماذجه جذرياً مع كوبرنيكوس في القرن ١٦.

حاول هيبارخوس تقدير أبعاد الشمس والقمر وأحجامهما اعتماداً على الهندسة ورصد الكسوف والخسوف، فقدم نطاقات حسابية للمسافات النسبية بدلاً من قيمة واحدة مؤكدة. ولم يكن أول من تناول هذه المسألة مطلقاً، إذ سبقه أرسطرخس الساموسي بمحاولة هندسية لتقدير المسافتين، لكن معالجة هيبارخوس تميزت بتوظيف أدق للمشاهدات الفلكية المتاحة في زمانه.